배관 내 열교환기 소음저감성능 예측에 관한 연구

Abstract

오늘날 플랜트 분야를 비롯한 대형 선박, 자동차 등 다양한 분야에서 열교환기가 이용되고 있다. 배관 내 설치된 열교환기에 대하여, 소음원으로부터 발생한 소음은 배관을 따라 전파되며, 복잡한 열교환기의 내부구조를 거치며 감쇠현상이 발생하는데 이는 본래 목적인 열교환 역할과 더불어 일종의 소음기 역할도 하게 된다. 열교환기의 음향특성을 파악하는데 가장 문제가 되는 요소는 다발관 요소로써, 형상에 대한 소음전달 메커니즘이 이론적으로 접근하기 어렵고 그 특성이 명확하게 밝혀져 있지 않다. 또한, 열교환기는 주로 고온·고압의 유속조건에서 운전되며 비선형적인 온도구배가 나타난다. 이와 같이 복잡한 내부구조와 운전조건 때문에 아직까지 열교환기 내부에서 발현되는 음향학적 특성에 관한 연구와 전달소음을 예측하는 기법은 시도되지 않았다. 한편, 해양플랜트에서 발생하는 주요 소음은 가스압축공정의 대형 압축기에서 발생하여 인접한 배관시스템으로 전달되고 배관계 표면에서 방사되는 소음은 큰 문제를 발생시킨다. 따라서, 배관 표면의 흡·차음재 설치는 필수적인 요소이다. 하지만, 대형 압축기 후단에 설치되는 열교환기의 정량적인 소음저감 성능이 확보되지 않아 열교환기의 소음저감효과를 배제한 채 보수적인 관점에서 배관 흡·차음재 설계가 이루어지고 있다. 따라서, 효율적이고 정확한 흡·차음재 설계를 위해 열교환기의 음향학적 특성을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 1-2 Pass 이중관식 열교환기의 다발관 형상에 대한 음향특성을 유동, 온도조건하에서 평가를 진행하였다. 해석적 방법으로 유속, 온도구배가 없는 조건에서 투과손실 및 소음감소량을 실험결과와 비교하였고 주파수 특성을 분석하기 위한 음향 모드해석을 수행하였다. 실험적 방법으로는 외부조건의 변화가 가능한 열교환기 음향시험장치를 구성하고 열·유동조건을 변경하며 다발관 형상에 대한 음향특성 평가가 수행되었다. 연구 결과를 바탕으로 열교환기를 간소화할 수 있는 해석모델을 제시하였으며, 이에 하이브리드 방법을 적용하여 열교환기의 총 투과손실을 예측하였다. 그 결과 실험값에 근사하는 타당한 결과를 얻을 수 있었으며, 투과손실을 이용하여 배관 흡·차음 문제에 대한 새로운 관점을 제시할 수 있었다.